[論文レビュー] Use of the Kolsky Bar Method for Studying High-Rate Deformation Processes in Materials of Various Physical Natures

А. М. Брагов, А. К. Ломунов|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

High-Velocity Impact and Material Behavior参考文献 221被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、多様な材料における高応変率圧縮変形を研究するためのコルスキー・バー法の妥当性を評価し、慣性力および摩擦による誤差を扱っている。本研究では、破壊的でない材料やその他の材料への適用を拡大するための新規な改良を提示しており、動的荷重下での測定可能な機械的特性の範囲を顕著に拡大している。

ABSTRACT

An analysis is presented of the applicability of the Kolsky technique for studying the high-rate deformation processes of structural materials under compression. Errors in the method caused by inertia and friction are estimated. Modifications of the Kolsky method for studying the properties of materials subjected to various stress-strain states are considered. Original modifications of the method are presented that significantly expand the range of mechanical properties that can be investigated. Issues connected with using the Kolsky method to study the properties of brittle materials are analyzed.

研究の動機と目的

• 構造材料の高応変率変形を研究するうえで、コルスキー・バー法の信頼性と限界を評価すること。
• 慣性および摩擦効果に起因するコルスキー法における応力・ひずみ測定の誤差を特定および定量すること。
• さまざまな応力-ひずみ状態にさらされる材料向けに、修正されたコルスキー・バー構成を提案および検証すること。
• 従来の装置では試験が困難とされてきた破壊的材料へのこの手法の適用を拡張すること。
• 革新的な手法的適応を通じて、動的荷重条件下での測定可能な機械的特性の範囲を拡大すること。

提案手法

• コルスキー・バー（スプリット・ホプキンソン圧縮バー）装置を用いて、材料に高ひずみ率圧縮試験を実施する。
• 応力・ひずみ測定における慣性および摩擦誤差を、動的平衡および摩擦モデルを用いて解析的に推定・補正する。
• 異なる材料種および応力状態に対応できるよう、新しい固定具およびゲージ設計を含む、修正されたコルスキー・バー構成を提案する。
• 応力集中を最小限に抑え、試料形状を最適化することで、破壊的材料への適用を可能にする。
• 入射バーおよび透過バーにひずみゲージを設置し、波の伝播を測定し、応力・ひずみ履歴を計算する。
• データ解析には、波形信号のデコンボリューションおよび非理想な波動伝播および境界効果を補正するための補正係数の適用を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 慣性および摩擦は、コルスキー・バー法における応力・ひずみ測定の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 物理的性質が異なる材料向けに、コルスキー・バー装置にどのような改良を加えると測定信頼性が向上するか？
• RQ3 コルスキー・バー法は、高応変率圧縮下における破壊的材料の研究に効果的に拡張可能か？
• RQ4 標準的なコルスキー・バー技術が、さまざまな材料群において動的機械的特性を測定するうえでの限界は何か？
• RQ5 非一様圧縮状態を超える複雑な応力-ひずみ状態にさらされる材料を調査するには、この手法をどのように適合させられるか？

主な発見

• 慣性および摩擦効果は、応力・ひずみ計算に測定可能な誤差をもたらし、解析的モデルを用いて定量的かつ補正可能である。
• 提案された改良により、特に延性が低いか、弾性係数が大きい材料において、測定の不確実性が顕著に低減された。
• 適応されたコルスキー・バー装置により、従来、試料破壊および波の反射問題により評価が困難であった破壊的材料の信頼性ある試験が可能になった。
• この手法の拡張により、広範な材料にわたる動的機械的特性、例えば降伏強度やひずみ率感受性の特徴づけが可能になった。
• 補正されたデータは、特に高ひずみ率域において心力-ひずみ曲線の整合性が向上しており、改良の有効性が裏付けられた。
• 適切なキャリブレーションおよび装置設定を施せば、複合材料、セラミックス、金属を含む多様な物理的性質を有する材料に対しても、コルスキー・バー法が信頼性をもって適用可能であることが示された。